2.3.1 Взаимодействие гамма-излучения с веществом

В задачах обеспечения радиационной безопасности исследовательских ядерных реакторов рассматривают гамма-кванты с энергией 50 кэВ – 10 МэВ. Основными процессами взаимодействия гамма-квантов с материалами являются фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние и поглощение с образованием электрон-позитронных пар.

Фотоэффект – это взаимодействие гамма-кванта с электронами атома. Гамма-квант исчезает (поглощается). Всю свою энергию гамма-квант передает одному из электронов атома, причем с наибольшей вероятностью наиболее связанному электрону, т.е. находящемуся на самой близкой к ядру оболочке. Электроны вырываются со своего уровня и получают кинетическую энергию, равную энергии гамма-кванта минус энергия связи электрона в атоме. Освободившийся уровень в дальнейшем заполняется одним из наружных электронов. Этот переход сопровождается характеристическим излучением. Фотоэффект наиболее вероятен для гамма-квантов низких энергий, особенно на материалах с большим зарядом ядер (Z⁴).

Рис.1.2. Схема фотоэффекта

В отличие от фотоэлектрического поглощения комптоновское рассеяние (комптон-эффект) происходит с наибольшей вероятностью на наименее связанном или свободном электроне. Этот процесс рассматривается как упругое рассеяние гамма-кванта на электроне, к которому применимы законы сохранения энергии и импульса. При любой энергии гамма-квант после рассеяния сохраняет часть энергии, которая зависит от угла рассеяния. Наибольшую часть первоначальной энергии гамма-квант теряет при рассеянии назад ( = 180^о), причем энергия рассеянного назад гамма-кванта не может быть больше 0,255 МэВ даже для гамма-квантов с большой начальной энергией.

Рис. 1.3. Размен энергии при эффекте Комптона

Рассеивающий электрон, получивший от гамма-кванта часть энергии, называется электроном отдачи. Дальнейшее его поведение в материале защиты не отличается от поведения бета-частицы. Рассеянный гамма-квант может снова рассеяться на электроне и т.д. до тех пор, пока его энергия не уменьшится до значений, при которых велика вероятность фотоэффекта и он будет поглощен, либо выйдет за пределы защиты.

Вероятность комптоновского рассеяния пропорциональна  ядер материала защиты. Этот процесс является основным в той области энергий гамма-излучения, которая рассматривается при решении задач защиты на реакторных установках. Например, для бетона этот эффект взаимодействия является основным в диапазоне энергий гамма-квантов 0,05-15 МэВ, для свинца – в диапазоне 0,6-5 МэВ. Многократные комптоновские рассеяния гамма-кванта в защите существенно изменяют его направление движения по сравнению с первоначальным, как бы увеличивая защиту.

Образование электрон-позитронных пар происходит в поле ядра, если энергия гамма-кванта превышает 1,02 МэВ (энергия массы покоя двух рождаемых частиц – электрона и позитрона) и приводит к исчезновению гамма-кванта. Позитрон и электрон приобретают кинетическую энергию, составляющую в сумме излишек энергии гамма-кванта над 1,02 МэВ, и движутся преимущественно в том же направлении, в котором двигался гамма-квант. Свободный позитрон живет недолго и в присутствии электронов аннигилирует с одним из них, при этом испускаются два гамма-кванта с энергией 0,51 МэВ каждый.

Вероятность процесса пропорциональна ². Процесс является преобладающим для бетона при Е15 МэВ, для свинца при Е5 МэВ.